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Quand la nature inspire les scientifiques

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Le biomimétisme consiste à imiter la nature, par exemple en s’inspirant du bec du martin-pêcheur pour concevoir un train à grande vitesse. (c) iStock

Le biomimétisme consiste à imiter la nature, par exemple en s’inspirant du bec du martin-pêcheur pour concevoir un train à grande vitesse.

Pour réparer les vivants, la meilleure source d'enseignement est sans conteste la nature elle-même. Comprendre comment nos organes et nos cellules fonctionnent n'est cependant pas simple. Et tenter de reproduire ces mécanismes, ou de les contrôler, l'est encore moins.


La nature bénéficie de milliers d'années d'évolution. De l'infiniment petit à l'infiniment grand, elle s'est développée avec une ingéniosité sans pareil. Intelligent, efficace et résilient, le vivant sous toutes ses formes animales, végétales ou minérales a beaucoup à nous apprendre. Rien d'étonnant donc à ce que les scientifiques se tournent vers Mère Nature pour trouver des solutions à des problèmes techniques ou biologiques. On appelle "biomimétisme" cette démarche qui consiste à copier les structures, les processus et les systèmes à l'œu-vre dans notre environnement naturel. 

Cette approche est utilisée dans de nombreux domaines. La technologie y a recours, par exemple, lorsqu'elle s'inspire des nageoires de baleines à bosse pour créer des éoliennes, ou des moules solidement arrimées à leur rocher pour concevoir une colle ultra-puissante. La communication également, en prenant la forêt comme modèle d'intelligence collective, pour améliorer le partage d'informations en réseau (1). Le management et l'économie puisent aussi certaines idées dans l'observation des écosys-tèmes. Le secteur médical, enfin, a recours au biomimétisme, que ce soit pour améliorer des traitements, fabriquer des prothèses ou lutter contre des bactéries (voir encadré). 

En pratique, le biomimétisme se décline en trois niveaux : "Le premier niveau, c'est quand on reproduit artificiellement une structure qui existe dans la nature. Par exemple, on crée une matière ultra-résistante aux chocs en s'inspirant de la carapace d'une tortue, ou on reproduit la forme du bec long et fin du martin-pêcheur pour concevoir un train à grande vitesse (le ‘Shinkansen’ au Japon), explique Liesbet Geris, ingénieure biomédicale et professeure à l’université de Liège et à la KULeuven. 

Au deuxième niveau, ce sont les processus de développement et de production du vivant, plutôt que son architecture, qui vont retenir l'attention des chercheurs." La soie que produisent les araignées pour tisser leur toile, par exemple, possède des propriétés intéressantes. Afin de créer une fibre synthétique qui y ressemble, il est utile de ne pas seulement analyser ce qui la compose, mais de voir aussi comment cette matière est produite par l'organisme de l'araignée.

"Enfin, à un troisième niveau, le biomimétisme consiste à s'inspirer des écosystèmes naturels pour comprendre et modéliser les interactions entre différents acteurs au sein de systèmes complexes", termine Liesbet Geris.

Pas si simple !

L'idée de se référer à ce que la nature a fait de mieux pour faire avancer la science, et en particulier la médecine, semble excellente. Cela relève de l'évidence mais ce n'est pas simple pour autant. Dans la pratique, il n'est pas toujours facile, ni même possible, d'imiter le vivant, de recréer in vitro une structure ou un processus biologique.

L'équipe de recherche de la professeure Liesbet Geris se consacre à l'ingénierie tissulaire : une discipline qui consiste à trouver des façons de créer des tissus organiques  en particulier ceux des os et des cartilages afin d'apporter des solutions aux patients à qui il manque une partie de leur masse osseuse suite à une maladie, un accident ou à un handicap de naissance. 

La recherche biomimétique dans ce domaine est relativement récente, mais l'idée de se tourner vers la nature environnante pour réparer le corps humain remonte, quant à elle, loin dans le temps. "Les Mayas utilisaient déjà de l’os, des pierres et des coquillages pour créer des implants !", raconte Liesbet Geris. Dans les années 70, les premières greffes de cellules animales ou humaines marquent les débuts de l’ingénierie tissulaire. Dans les années 80, les premiers implants synthétiques sont développés selon les principes de la biomimétique. À cette époque, la biomédecine cherche à copier la matière organique en analysant sa composition et sa forme afin de les recréer en laboratoire.

"Les tissus osseux sont formés d'une partie minérale, qui donne à l'os sa structure, et d'une partie fibreuse qui lui donne sa résilience. Leurstructure ressemble à celle d'une éponge, explique l'ingénieure. Dans un premier temps, on a cherché à créer un biomatériel synthétique (à base de phosphate de calcium) qui soit le plus semblable possible. Malheureusement, ce tissu artificiel ne se comportait pas comme du vrai tissu organique", précise Liesbet Geris.

Une nouvelle piste prometteuse

"Au tournant des années 90, un nouvel espoir est né pour l'ingénierie tissulaire lorsqu'on a commencé à développer le biomimétisme à un second niveau, c'est-à-dire en cherchant à répliquer les processus de fabrication des tissus organiques." Bien que nous ayons l'impression, à notre échelle, que notre corps a une certaine permanence, en réalité, au niveau de nos cellules, la vie se traduit par un constant renouvellement. Ainsi, notre squelette se trouve entièrement remodelé au bout d'un cycle d'environ dix ans. Et c'est ce processus qui intéresse les chercheurs. "Les résultats des premières expériences sur des souris sont encourageants, mais le passage à l’être humain représente un défi de taille. Cela nécessite de produire un très grand nombre de cellules, de l’ordre du milliard", expose la scientifique. 

Le succès de cette méthode dépend aussi du type de tissu : "Cela fonctionne très bien avec la peau, et assez bien avec les cartilages ou les os. Mais pour des cellules cardiaques, qui ont des interactions plus complexes entre elles, ce n'est pas encore au point." 

"La production de certains médicaments s'appuie aussi sur le deuxième niveau du biomimétisme, ajoute la professeure. C'est le cas par exemple de l'insuline, avec laquelle on soigne les personnes diabétiques. Plutôt que de créer des molécules synthétiques, il est souvent plus efficace d'utiliser des bactéries qui vont produire naturellement ce qu'on n'arrive pas toujours à reproduire in vitro." 

Le champ de recherche du biomimétisme est vaste et toujours à explorer. "On ne comprend encore qu'une toute petite partie du fonctionnement de la nature et du corps humain, reconnaît Liesbet Geris. On se rend compte que les écosystèmes sont complexes. La recherche avance en construisant des modèles numériques. Un mo-dèle numérique permet de tester une série d'hypothèses et d'observer ce qui se passe lorsqu'on modifie tel ou tel élément. On peut comparer ensuite les résultats obtenus avec ce qui se passe en milieu naturel, et s'en rapprocher progressivement."

La nature n'a pas encore livré tous ses secrets. C'est une bibliothèque dans laquelle chacun peut puiser librement une réserve d'idées disponibles en libre accès. Le biomimétisme renforce l'idée qu'il y a là un trésor de connaissances qu'il faut préserver. Chaque espèce, chaque variété de la faune et de la flore, peuvent se révéler inspirantes. L'intelligence du vivant et la complexité des écosystèmes, enfin, invitent à une certaine humilité.


(1) Une forêt d’idées : biomimétisme pour l’intelligence collective, Guillaume Asselot, lescahiersdelinnovation.com

Quand l'animal aide l'humain

Le biomimétisme, c'est aussi s'inspirer des facultés et des propriétés d'animaux ou de végétaux pour améliorer les performances humaines. Voici quelques exemples d'innovations inspirées de la faune.

1/ Une caméra qui détecte des cancers

Des chercheurs se sont inspirés des yeux de la crevette-mante pour créer un micro-capteur qui permet d'identifier des cellules cancéreuses avant même qu'elles ne soient assez nombreuses pour former des tumeurs visibles.

(Source : Une crevette-mante inspire un nouvel appareil-photo pour détecter le cancer, frosthead.com)

2/ Sharklet : un revêtement antibactérien

La peau du requin a une structure très particulière, faite de denticules (comme des petites dents) disposées en nid-d'abeilles. C'est en réalité un exosquelette. Il a la particularité de repousser les bactéries. En imitant la structure de ce tissu, des chercheurs ont créé un matériau qui intéresse beaucoup les hôpitaux.

(Source : S'inspirer de la peau de requin pour lutter contre les bactéries, sciencesetavenir.fr)

3/ Nanopass : pour des piqûres indolores

On n'apprécie guère les moustiques en général, et pourtant c'est grâce à eux que des chercheurs japonais ont trouvé la façon de rendre les piqûres chez le médecin beaucoup plus supportables, en s'inspirant de la forme de leur trompe.

(Source : Homo Imitator. La surprenante histoire du biomimétisme, Thierry De Swaef, Éd. Jourdan, 2018, 192 p, 18,90 EUR)

4/ Curvace : assister les aveugles

La vision des mouches, des abeilles et des libellules ne fonctionne pas du tout comme celle des humains. Moins performante en apparence, elle leur permet pourtant d'éviter les obstacles tout en se déplaçant rapidement. Cela a donné l'idée à des chercheurs de développer un dispositif qui permet aux aveugles de détecter les mouvements autour d'eux.

(Source : Quand les yeux des mouches inspirent la robotique, maxisciences.com)